《无线电》
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蛋黄物语——DIY自平衡机器人
2015-04-30 10:18:35自平衡机器人“蛋黄”（见图1）的创意始于2013 年6 月初，当时的想法是利用Arduino 设计一款入门级的自平衡小车，可以通过PS2 无线手柄控制，能站能跑，最好还会卖萌。而且要做到取材容易、制作简单，同时还要注重外观拥有个性。所以我在设计时采用了模块化的接插结构，除了用到的各个电子模块，还用上了乐高积木，使组装就像搭积木一样简单。而“蛋黄”的外形灵感则来自于WALL-E（见图2）。为了让它不占用我书桌太多地方，“蛋黄”的尺寸被限定在了10cm。“蛋黄”是一个开源的项目，我们希望给大家提供一个平台、一套自平衡车的低成本解决方案，所以大家完全可以在“蛋黄”的基础上添砖加瓦，制作一套独一无二的自平衡机器人。
■ 图1 “蛋黄”自平衡机器人
■ 图2 电影《机器人瓦力》中的WALL-E
原理简介
两轮车又称自平衡车，主要是建立在“动态稳定”的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。
类似人体自身的平衡系统，当身体重心前倾时，为了保证平衡，需要往前走，重心后倾时则需要往后走。同时，需要转向时，使小车左右两个车轮产生转速差，例如左转时，右轮的转速会比左轮快（左轮速度为为v -x ，右轮速度为v+x ），但车的平均速度是不变的，通过这样的方式即可达到转向的效果。
讲到自动控制，不得不提的是PID 算法，这是一种在工程实际中应用最为广泛的调节器，P、I、D 依次代表的是比例、积分、微分。正如上面的平衡原理中提到的，我们需要检测车体姿态的变化，并以此为依据纠正小车的姿态，也就是说，我们通过惯性元件获取车子的实时姿态数据，根据这个数据和我们期望的目标值之间的误差，控制电机的转向和转速，正如图3 中所示，前倾的话，角度误差为正，那么轮子就需要向前转，反之则是向后转；而且误差越大，需要的车轮加速度越大，这也说明我们可以简单地把误差值乘以一个系数，当作PWM 值赋给电机。
这一整个过程，其实就是控制论里的负反馈调节。那么问题来了，我们怎么知道这个系数是多少呢？其实这个值就是PID 里面的P值，我们可以通过车子的角度曲线找到调节的规律。同样的道理，大家可以想象，如果只用比例P
的话，容易出现的情况是车子前倾时往前猛加速，然后冲过头又导致后仰，接着向后猛加速，如此循环，导致车体震荡，
这时就需要用到微分D。这里的微分指的其实是误差的误差，通过加上这个系数，可以使车子柔和地前后调节，最终达到很好的平衡稳定性。
■ 图3 自平衡驱动图示
■ 图4 MPU6050 6 轴模块
未完。。。
全文详见《无线电》201503
